Plasticity of neuroanatomical relationships between cholinergic and dopaminergic axon varicosities and pyramidal cells in the rat medial prefrontal cortex

Les systèmes cholinergique et dopaminergique jouent un rôle prépondérant dans les fonctions cognitives. Ce rôle est exercé principalement grâce à leur action modulatrice de l’activité des neurones pyramidaux du cortex préfrontal. L’interaction pharmacologique entre ces systèmes est bien documentée mais les études de leurs interactions neuroanatomiques sont rares, étant donné qu’ils sont impliqués dans une transmission diffuse plutôt que synaptique. Ce travail de thèse visait à développer une expertise pour analyser ce type de transmission diffuse en microscopie confocale. Nous avons étudié les relations de microproximité entre ces différents systèmes dans le cortex préfrontal médian (mPFC) de rats et souris. En particulier, la densité des varicosités axonales en passant a été quantifiée dans les segments des fibres cholinergiques et dopaminergiques à une distance mutuelle de moins de 3 µm ou à moins de 3 µm des somas de cellules pyramidales. Cette microproximité était considérée comme une zone d’interaction probable entre les éléments neuronaux. La quantification était effectuée après triple-marquage par immunofluorescence et acquisition des images de 1 µm par microscopie confocale. Afin d’étudier la plasticité de ces relations de microproximité, cette analyse a été effectuée dans des conditions témoins, après une activation du mPFC et dans un modèle de schizophrénie par déplétion des neurones cholinergiques du noyau accumbens. Les résultats démontrent que 1. Les fibres cholinergiques interagissent avec des fibres dopaminergiques et ce sur les mêmes neurones pyramidaux de la couche V du mPFC. Ce résultat suggère différents apports des systèmes cholinergique et dopaminergique dans l’intégration effectuée par une même cellule pyramidale. 2. La densité des varicosités en passant cholinergiques et dopaminergiques sur des segments de fibre en microproximité réciproque est plus élevée comparé aux segments plus distants les uns des autres. Ce résultat suggère un enrichissement du nombre de varicosités axonales dans les zones d’interaction. 3. La densité des varicosités en passant sur des segments de fibre cholinergique en microproximité de cellules pyramidales, immunoúactives pour c-Fos après une stimulation visuelle et une stimulation électrique des noyaux cholinergiques projetant au mPFC est plus élevée que la densité des varicosités de segments en microproximité de cellules pyramidales non-activées. Ce résultat suggère un enrichissement des varicosités axonales dépendant de l’activité neuronale locale au niveau de la zone d'interaction avec d'autres éléments neuronaux. 4. La densité des varicosités en passant des fibres dopaminergiques a été significativement diminuée dans le mPFC de rats ayant subi une déplétion cholinergique dans le noyau accumbens, comparée aux témoins. Ces résultats supportent des interrelations entre la plasticité structurelle des varicosités dopaminergiques et le fonctionnement cortical. L’ensemble des donneès démontre une plasticité de la densité locale des varicosités axonales en fonction de l’activité neuronale locale. Cet enrichissement activité-dépendant contribue vraisemblablement au maintien d’une interaction neurochimique entre deux éléments neuronaux.

Effet de la transmission cholinergique sur la cartographie fonctionnelle du cortex visuel du rongeur

La transmission cholinergique, et notamment muscarinique, joue un rôle déterminant dans le système nerveux central au niveau de la modulation de la plasticité neuronale. La libération d'ACh dans le cortex visuel est concomitante à la présentation de stimuli visuels. Par son action sur la transmission neuronale corticale, l'ACh module à long terme les réponses à de nouveaux stimuli sensoriels. Dans la présente étude, l'implication du système cholinergique au niveau du développement cortical et de la plasticité inductible chez l'adulte a été étudiée par les techniques d'imagerie optique des signaux intrinsèques et d'immunohistochimie chez le rongeur. Ces deux techniques de cartographie de l'activité corticale nous ont permis d'évaluer, d'une part, l'impact modulatoire de l'acétylcholine (ACh) et de ses récepteurs muscariniques (mAChRs, M1 à M5) sur l'organisation fonctionnelle du cortex visuel chez des souris déficitaires pour les mAChRs et, d'autre part, l'impact de la libération d'ACh lors d'un entraînement visuel, sur le nombre, la nature neurochimique et la localisation au niveau des couches corticales des neurones corticaux activés. L'implication du système cholinergique sur la cartographie du cortex visuel primaire a été étudiée sur les souris génétiquement modifiées délétères (knock out : KO) pour différentes combinaisons de sous-types de mAChRs. L'imagerie des signaux intrinsèques, basée sur les changements de réflectance corticale de la lumière survenant lors de la consommation d'oxygène par les neurones activés, a permis de déterminer, lors de stimulations visuelles, les différentes composantes des propriétés des neurones du cortex visuel. La taille des champs récepteurs des neurones est diminuée lors de l'absence du récepteur M1 ou de la combinaison M1/M3. Le champ visuel apparent est augmenté chez les souris M2/M4-KO mais diminué chez les M1-KO. La finesse des connectivités neuronales (évaluée par la mesure du scatter du signal) est réduite lors de l'absence des récepteurs M2/M4. Finalement, chez les animaux M1/M3-KO, une diminution de l'acuité visuelle est observée. L'effet à long-terme d'un entraînement visuel couplé à une stimulation des neurones cholinergiques sur la distribution et la nature des neurones immunoréactifs au c-Fos, c'est-à-dire les neurones activés, a été évalué. Puisque cette stimulation combinée est en mesure de produire des modifications comportementales, notamment au niveau de l'acuité visuelle, il devenait intéressant de s'attarder aux modifications neuroanatomiques et de déterminer quels éléments de l'équilibre excitateur/inhibiteur sont compromis chez ces animaux. Les résultats obtenus démontrent que les animaux ayant reçu une combinaison de l'entraînement cholinergique et visuel présentent une augmentation du marquage c-Fos comparativement aux animaux n'ayant reçu que la stimulation cholinergique. D'autre part, chez ces animaux, il est possible d'observer des modifications de l'équilibre excitateur/inhibiteur qui correspond au potentiel plastique de la région. En conclusion, ces études démontrent un rôle important du système cholinergique dans le développement, la maturation et la plasticité du système visuel cérébral.

The regulatory roles of APE1 and Prdx1 interaction

L’apurinic/apyrimidic endonuclease 1 (APE1) est une protéine multifonctionnelle qui joue un rôle important dans la voie de réparation de l’ADN par excision de base. Elle sert également de coactivateur de transcription et est aussi impliquée dans le métabolisme de l’ARN et la régulation redox. APE1 peut cliver les sites AP ainsi que retirer des groupements, sur des extrémités 3’ créées suite à des bris simple brin, qui bloquent les autres enzymes de réparation, permettant de poursuivre la réparation de l’ADN, puisqu’elle possède plusieurs activités de réparation de l’ADN comme une activité phosphodiestérase 3’ et une activité exonucléase 3’→5’. Les cellules de mammifères ayant subi un knockdown d’APE1 présentent une grande sensibilité face à de nombreux agents génotoxiques. APE1 ne possède qu’une seule cystéine située au 65e acide aminé. Celle-ci est nécessaire pour maintenir l’état de réduction de nombreux activateurs de transcription tels que p53, NF-κB, AP-1, c-Jun at c-Fos. Ainsi, elle se retrouve impliquée dans la régulation de l’expression génique. APE1 passe également à travers au moins 4 types de modifications post-traductionnelles : l’acétylation, la désacétylation, la phosphorylation et l’ubiquitylation. La façon dont APE1 est recrutée pour accomplir ses différentes fonctions biologiques demeure un mystère, bien que cela puisse être relié à sa capacité d’interaction avec de multiples partenaires différents. Sous des conditions de croissance normales, il a été démontré qu’APE1 interagit avec de nombreux partenaires impliqués dans de multiples fonctions. Nous émettons l’hypothèse que l’état d’oxydation d’APE1 est ce qui contrôle les partenaires avec lesquels la protéine interagira, lui permettant d’accomplir des fonctions précises. Dans cette étude nous démontrons que le peroxyde d’hydrogène altère le réseau d’interactions d’APE1. Un nouveau partenaire d’interaction d’APE1, Prdx1, un membre de la famille des peroxirédoxines responsable de récupérer le peroxyde d’hydrogène, est caractérisé. Nous démontrons qu’un knockdown de Prdx1 n’affecte pas l’activité de réparation de l’ADN d’APE1, mais altère sa détection et sa distribution cellulaire à l’intérieur des cellules HepG2 conduisant à une induction accrue de l’interleukine 8 (IL-8). L’IL8 est une chimiokine impliquée dans le stress cellulaire en conditions physiologiques et en cas de stress oxydatif. Il a été démontré que l’induction de l’IL-8 est dépendante d’APE1 indiquant que Prdx1 pourrait réguler l’activité transcriptionnelle d’APE1. Il a été découvert que Prdx1 est impliquée dans la régulation redox suite à une réponse initiée par le peroxyde d’hydrogène. Ce dernier possède un rôle important comme molécule de signalisation dans de nombreux processus biologiques. Nous montrons que Prdx1 est nécessaire pour réduire APE1 dans le cytoplasme en réponse à la présence de H2O2. En présence de Prdx1, la fraction d’APE1 présent dans le cytoplasme est réduite suite à une exposition au peroxyde d’hydrogène, et Prdx1 est hyperoxydé suite à l’interaction entre les deux molécules. Cela suggère que le signal, que produit le peroxyde d’hydrogène, sur APE1 passe par Prdx1. Un knockdown d’APE1 diminue la conversion de la forme dimérique de Prdx1 vers la forme monomérique. Cette observation implique qu’APE1 pourrait être impliquée dans la régulation de l’activité catalytique de Prdx1 en accélérant son hyperoxydation.

Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Differential induction of 12-O-tetradecanoylphorbol 13-acetate sequence gene expression in murine melanocytes and melanoma cells

We previously showed that growth of the nontumorigenic, immortal murine melanocyte line Mel-ab correlates with the depletion of protein kinase C (PKC), whereas quiescence is associated with elevated levels of this enzyme (Brooks G, et al., Cancer Res 51: 3281–3288, 1991). Here we report responses that occur in these cells downstream of PKC activation or downregulation. We examined induction of 12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate (TPA)-inducible sequence (TIS) gene expression in Mel-ab melanocytes and in their transformed counterparts, B16 melanoma cells. Exposure of quiescent Mel-ab cells to the PKC-activating phorbol esters TPA or sapintoxin A at 81 nM for 2 h increased levels of mRNA for six of seven TIS genes examined (twofold to 80-fold increase in steady-state RNA levels for TIS 1, 7, 8, 11, 21, and 28 (c-fos); TIS 10 expression was not affected). No induction of 115 gene expression was observed either in growing Mel-ab cells maintained in 324 nM phorbol 12,13-dibutyrate or in B16 cells previously unexposed to phorbol esters, in which normal PKC levels were endogenously depressed. The cAMP-elevating agents choleratoxin (10 nM) and dibutyryl cyclic AMP (2.5 mM) increased levels of TIS mRNA (with the exception of TIS 10) in both proliferating Mel-ab and B16 cells, suggesting that downregulation of the PKC pathway is specific and not a consequence of a general inhibition of all signalling pathways.

Regulation of expression of the rat orthologue of mouse double minute 2 (MDM2) by H2O2-induced oxidative stress in neonatal rat cardiac myocytes.

The Mdm2 ubiquitin ligase is an important regulator of p53 abundance and p53-dependent apoptosis. Mdm2 expression is frequently regulated by a p53 Mdm2 autoregulatory loop whereby p53 stimulates Mdm2 expression and hence its own degradation. Although extensively studied in cell lines, relatively little is known about Mdm2 expression in heart where oxidative stress (exacerbated during ischemia-reperfusion) is an important pro-apoptotic stimulus. We demonstrate that Mdm2 transcript and protein expression are induced by oxidative stress (0.2 mm H(2)O(2)) in neonatal rat cardiac myocytes. In other cells, constitutive Mdm2 expression is regulated by the P1 promoter (5' to exon 1), with inducible expression regulated by the P2 promoter (in intron 1). In myocytes, H(2)O(2) increased Mdm2 expression from the P2 promoter, which contains two p53-response elements (REs), one AP-1 RE, and two Ets REs. H(2)O(2) did not detectably increase expression of p53 mRNA or protein but did increase expression of several AP-1 transcription factors. H(2)O(2) increased binding of AP-1 proteins (c-Jun, JunB, JunD, c-Fos, FosB, and Fra-1) to an Mdm2 AP-1 oligodeoxynucleotide probe, and chromatin immunoprecipitation assays showed it increased binding of c-Jun or JunB to the P2 AP-1 RE. Finally, antisense oligonucleotide-mediated reduction of H(2)O(2)-induced Mdm2 expression increased caspase 3 activation. Thus, increased Mdm2 expression is associated with transactivation at the P2 AP-1 RE (rather than the p53 or Ets REs), and Mdm2 induction potentially represents a cardioprotective response to oxidative stress.

Transient receptor potential ion channels V4 and A1 contribute to pancreatitis pain in mice.

The mechanisms of pancreatic pain, a cardinal symptom of pancreatitis, are unknown. Proinflammatory agents that activate transient receptor potential (TRP) channels in nociceptive neurons can cause neurogenic inflammation and pain. We report a major role for TRPV4, which detects osmotic pressure and arachidonic acid metabolites, and TRPA1, which responds to 4-hydroxynonenal and cyclopentenone prostaglandins, in pancreatic inflammation and pain in mice. Immunoreactive TRPV4 and TRPA1 were detected in pancreatic nerve fibers and in dorsal root ganglia neurons innervating the pancreas, which were identified by retrograde tracing. Agonists of TRPV4 and TRPA1 increased intracellular Ca(2+) concentration ([Ca(2+)](i)) in these neurons in culture, and neurons also responded to the TRPV1 agonist capsaicin and are thus nociceptors. Intraductal injection of TRPV4 and TRPA1 agonists increased c-Fos expression in spinal neurons, indicative of nociceptor activation, and intraductal TRPA1 agonists also caused pancreatic inflammation. The effects of TRPV4 and TRPA1 agonists on [Ca(2+)](i), pain and inflammation were markedly diminished or abolished in trpv4 and trpa1 knockout mice. The secretagogue cerulein induced pancreatitis, c-Fos expression in spinal neurons, and pain behavior in wild-type mice. Deletion of trpv4 or trpa1 suppressed c-Fos expression and pain behavior, and deletion of trpa1 attenuated pancreatitis. Thus TRPV4 and TRPA1 contribute to pancreatic pain, and TRPA1 also mediates pancreatic inflammation. Our results provide new information about the contributions of TRPV4 and TRPA1 to inflammatory pain and suggest that channel antagonists are an effective therapy for pancreatitis, when multiple proinflammatory agents are generated that can activate and sensitize these channels.

Cox-dependent fatty acid metabolites cause pain through activation of the irritant receptor TRPA1.

Prostaglandins (PG) are known to induce pain perception indirectly by sensitizing nociceptors. Accordingly, the analgesic action of nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) results from inhibition of cyclooxygenases and blockade of PG biosynthesis. Cyclopentenone PGs, 15-d-PGJ(2), PGA(2), and PGA(1), formed by dehydration of their respective parent PGs, PGD(2), PGE(2), and PGE(1), possess a highly reactive alpha,beta-unsaturated carbonyl group that has been proposed to gate the irritant transient receptor potential A1 (TRPA1) channel. Here, by using TRPA1 wild-type (TRPA1(+/+)) or deficient (TRPA1(-/-)) mice, we show that cyclopentenone PGs produce pain by direct stimulation of nociceptors via TRPA1 activation. Cyclopentenone PGs caused a robust calcium response in dorsal root ganglion (DRG) neurons of TRPA1(+/+), but not of TRPA1(-/-) mice, and a calcium-dependent release of sensory neuropeptides from the rat dorsal spinal cord. Intraplantar injection of cyclopentenone PGs stimulated c-fos expression in spinal neurons of the dorsal horn and evoked an instantaneous, robust, and transient nociceptive response in TRPA1(+/+) but not in TRPA1(-/-) mice. The classical proalgesic PG, PGE(2), caused a slight calcium response in DRG neurons, increased c-fos expression in spinal neurons, and induced a delayed and sustained nociceptive response in both TRPA1(+/+) and TRPA1(-/-) mice. These results expand the mechanism of NSAID analgesia from blockade of indirect nociceptor sensitization by classical PGs to inhibition of direct TRPA1-dependent nociceptor activation by cyclopentenone PGs. Thus, TRPA1 antagonism may contribute to suppress pain evoked by PG metabolites without the adverse effects of inhibiting cyclooxygenases.

Long-term depression activates transcription of immediate early transcription factor genes: involvement of serum response factor/Elk-1

Long-term depression (LTD) is one of the paradigms used in vivo or ex vivo for studying memory formation. In order to identify genes with potential relevance for memory formation we used mouse organotypic hippocampal slice cultures in which chemical LTD was induced by applications of 3,5-dihydroxyphenylglycine (DHPG). The induction of chemical LTD was robust, as monitored electrophysiologically. Gene expression analysis after chemical LTD induction was performed using cDNA microarrays containing >7,000 probes. The DHPG-induced expression of immediate early genes (c-fos, junB, egr1 and nr4a1) was subsequently verified by TaqMan polymerase chain reaction. Bioinformatic analysis suggested a common regulator element [serum response factor (SRF)/Elk-1 binding sites] within the promoter region of these genes. Indeed, here we could show a DHPG-dependent binding of SRF at the SRF response element (SRE) site within the promoter region of c-fos and junB. However, SRF binding to egr1 promoter sites was constitutive. The phosphorylation of the ternary complex factor Elk-1 and its localization in the nucleus of hippocampal neurones after DHPG treatment was shown by immunofluorescence using a phosphospecific antibody. We suggest that LTD leads to SRF/Elk-1-regulated gene expression of immediate early transcription factors, which could in turn promote a second broader wave of gene expression.

Ovarian-Steroid Modulation of Locus Coeruleus Activity in Female Rats: Involvement in Luteinising Hormone Regulation

The noradrenergic nucleus locus coeruleus (LC) has been reported to regulate luteinising hormone (LH) secretion in female rats. Both oestrogen and progestin receptors have been demonstrated in LC neurones, suggesting that these cells are possibly responsive to variations in circulating levels of ovarian steroids. We therefore evaluated changes in the activity of LC neurones during the oestrous cycle and after ovarian-steroid treatment in ovariectomised (OVX) rats, as determined by immunoreactivity to Fos-related antigens (FRA), which comprises all of the known members of the Fos family. Effects of ovarian steroids on the firing rate of LC neurones were also determined in a slice preparation. The number of FRA/tyrosine hydroxylase (TH)-immunoreactive (ir) neurones in the LC increased from 14.00-16.00 h on pro-oestrus, coinciding with the onset of the LH surge and rise in plasma progesterone. FRA immunoreactivity was unaltered during dioestrus. Oestradiol-treated OVX rats (OVX+E) displayed marked reduction in FRA/TH-ir neurones in LC compared to oil-treated OVX rats. Accordingly, oestradiol superfusion significantly reduced the spontaneous firing rate of LC neurones in slices from OVX rats. Compared to OVX+E, oestradiol-treated rats injected with progesterone at 08.00 h (OVX+EP) exhibited higher number of FRA/TH-ir neurones in the LC at 10.00 h and 16.00 h, and great amplification of the LH surge. Bath application of progesterone significantly increased the spontaneous firing rate of OVX+E LC neurones. Our data suggest that ovarian steroids may physiologically modulate the activity of LC neurones in females, with possible implications for LH secretion. Moreover, oestradiol and progesterone appear to exert opposite and complementary effects (i.e. whereas oestradiol inhibits, progesterone, after oestradiol priming, stimulates LC activity).

Increased Expression of GluR2-flip in the Hippocampus of the Wistar Audiogenic Rat Strain After Acute and Kindled Seizures

The Wistar Audiogenic Rat (WAR) is an epileptic-prone strain developed by genetic selection from a Wistar progenitor based on the pattern of behavioral response to sound stimulation. Chronic acoustic stimulation protocols of WARs (audiogenic kindling) generate limbic epileptogenesis, confirmed by ictal semiology, amygdale, and hippocampal EEG, accompanied by hippocampal and amygdala cell loss, as well as neurogenesis in the dentate gyrus (DG). In an effort to identify genes involved in molecular mechanisms underlying epileptic process, we used suppression-subtractive hybridization to construct normalized cDNA library enriched for transcripts expressed in the hippocampus of WARs. The most represented gene among the 133 clones sequenced was the ionotropic glutamate receptor subunit II (GluR2), a member of the a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazoleopropionic acid (AMPA) receptor. Although semiquantitative RT-PCR analysis shows that the hippocampal levels of the GluR2 subunits do not differ between naive WARs and their Wistar counterparts, we observed that the expression of the transcript encoding the splice-variant GluR2-flip is increased in the hippocampus of WARs submitted to both acute and kindled audiogenic seizures. Moreover, using in situ hybridization, we verified upregulation of GluR2-flip mainly in the CA1 region, among the hippocampal subfields of audiogenic kindled WARs. Our findings on differential upregulation of GluR2-flip isoform in the hippocampus of WARs displaying audiogenic seizures is original and agree with and extend previous immunohistochemical for GluR2 data obtained in the Chinese P77PMC audiogenic rat strain, reinforcing the association of limbic AMPA alterations with epileptic seizures. (C) 2009 Wiley-Liss, Inc.

Prolonged consumption of soy or fish-oil-enriched diets differentially affects the pattern of hypothalamic neuronal activation induced by refeeding in rats

We used c-Fos immunoreactivity to estimate neuronal activation in hypothalamic feeding-regulatory areas of 3-month-old rats fed control or oil-enriched diets (soy or fish) since weaning. While no diet effect was observed in c-Fos immunoreactivity of 24-h fasted animals, the acute response to refeeding was modified by both hyperlipidic diets but with different patterns. Upon refeeding, control-diet rats had significantly increased c-Fos immunoreactivity only in the paraventricular hypothalamic nucleus (PVH, 142%). In soy-diet rats, refeeding with the soy diet increased c-Fos immunoreactivity in dorsomedial hypothalamic nucleus (DMH, 271%) and lateral hypothalamic area (LH, 303%). Refeeding fish-diet rats with the fish diet increased c-Fos immunoreactivity in PVH (161%), DMH (177%), VMH (81%), and ARC (127%). Compared to the fish-diet, c-Fos immunoreactivity was increased in LH by the soy-diet while it was decreased in ventromedial hypothalamic nucleus (VMH) and arcuate hypothalamic nucleus (ARC). Based on the known roles of the activated nuclei, it is suggested that, unlike the fish-diet, the soy-diet induced a potentially obesogenic profile, with high LH and low VMH/PVH activation after refeeding.

Central mechanisms involved in pilocarpine-induced pressor response

Pilocarpine (cholinergic muscarinic agonist) injected peripherally may act centrally to produce pressor responses; in the present study, using c-fos immunoreactive expression, we investigated the forebrain and brainstem areas activated by pressor doses of intravenous (i.v.) pilocarpine. In addition, the importance of vasopressin secretion and/or sympathetic activation and the effects of lesions in the anteroventral third ventricle (AV3V) region in awake rats were also investigated. In male Holtzman rats, pilocarpine (0.04 to 4 mu mol/kg b.w.) i.v. induced transitory hypotension followed by long lasting hypertension. Sympathetic blockade with prazosin (1 mg/kg b.w.) i.v. or AV3V lesions (1 day) almost abolished the pressor response to i. v. pilocarpine (2 mu mol/kg b.w.), whereas the vasopressin antagonist (10 mu g/kg b.w.) i.v. reduced the response to pilocarpine. Pilocarpine (2 and 4 mu mol/kg b.w.) i.v. increased the number of c-fos immunoreactive cells in the subfornical organ, paraventricular and supraoptic nuclei of the hypothalamus, organ vasculosum of the lamina terminalis, median preoptic nucleus, nucleus of the solitary tract and caudal and rostral ventrolateral medulla. These data suggest that i.v. pilocarpine activates specific forebrain and brainstem mechanisms increasing sympathetic activity and vasopressin secretion to induce pressor response. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Transdural motor cortex stimulation reverses neuropathic pain in rats: A profile of neuronal activation

Motor cortex stimulation (MCS) has been used to treat patients with neuropathic pain resistant to other therapeutic approaches; however, the mechanisms of pain control by MCS are still not clearly understood. We have demonstrated that MCS increases the nociceptive threshold of naive conscious rats, with opioid participation. In the present study, the effect of transdural MCS on neuropathic pain in rats subjected to chronic constriction injury of the sciatic nerve was investigated. In addition, the pattern of neuronal activation, evaluated by Fos and Zif268 immunolabel, was performed in the spinal cord and brain sites associated with the modulation of persistent pain. MCS reversed the mechanical hyperalgesia and allodynia induced by peripheral neuropathy. After stimulation, Fos immunoreactivity (Fos-IR) decreased in the dorsal horn of the spinal cord and in the ventral posterior lateral and medial nuclei of the thalamus, when compared to animals with neuropathic pain. Furthermore, the MCS increased the Fos-IR in the periaqueductal gray, the anterior cingulate cortex and the central and basolateral amygdaloid nuclei. Zif268 results were similar to those obtained for Fos, although no changes were observed for Zif268 in the anterior cingulate cortex and the central amygdaloid nucleus after MCS. The present findings suggest that MCS reverts neuropathic pain phenomena in rats, mimicking the effect observed in humans, through activation of the limbic and descending pain inhibitory systems. Further investigation of the mechanisms involved in this effect may contribute to the improvement of the clinical treatment of persistent pain. (c) 2010 European Federation of International Association for the Study of Pain Chapters. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Hydrogen peroxide is a novel mediator of inflammatory hyperalgesia, acting via transient receptor potential vanilloid 1-dependent and independent mechanisms

Inflammatory diseases associated with pain are often difficult to treat in the clinic due to insufficient understanding of the nociceptive pathways involved. Recently, there has been considerable interest in the role of reactive oxygen species (ROS) in inflammatory disease, but little is known of the role of hydrogen peroxide (H(2)O(2)) in hyperalgesia. In the present study, intraplantar injection of H(2)O(2)-induced a significant dose- and time-dependent mechanical and thermal hyperalgesia in the mouse hind paw, with increased c-fos activity observed in the dorsal horn of the spinal cord. H(2)O(2) also induced significant nociceptive behavior Such as increased paw licking and decreased body liftings. H(2)O(2) levels were significantly raised in the carrageenan-induced hind paw inflammation model, showing that this ROS is produced endogenously in a model of inflammation. Moreover, superoxide dismutase and catalase significantly reduced carrageenan-induced mechanical and thermal hyperalgesia, providing evidence of a functionally significant endogenous role. Thermal, but not mechanical, hyperalgesia in response to H(2)O(2) (i.pl.) Was longer lasting in TRPV1 wild type mice compared to TRPV1 knockouts. It is unlikely that downstream lipid peroxidation was increased by H(2)O(2). In conclusion, we demonstrate a notable effect of H(2)O(2) in mediating inflammatory hyperalgesia, thus highlighting H(2)O(2) removal as a novel therapeutic target for anti-hyperalgesic drugs in the clinic. (C) 2008 International Association for the Study of Pain. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.